[논문 리뷰] New expressions on the performance of a novel multi-hop relay-assisted hybrid FSO / RF communication system with receive diversity

Mohammad Ali Amirabadi|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 18.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 21인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 수신 다양성을 갖춘 다중 홉 릴레이 보조 하이브리드 FSO/RF 시스템을 제안하여 이동 통신에서의 신뢰성을 향상시킨다. 여러 릴레이와 수신 안테나를 사용함으로써 안테나 수에 대한 성능 의존도가 최소화되고, 낮은 비트 오류율과 아웃리지 확률을 달성하여 도시 환경에서의 비용 효율성과 강건성을 확보한다.

ABSTRACT

In this paper a novel multi-hop relay-assisted hybrid Free Space Optical / Radio Frequency (FSO / RF) communication system is presented, in which a mobile user is connected to the Base Station via a multi-hop relay-assisted hybrid FSO / RF link with receive diversity. In this structure, received signal at each relay is demodulated and forwarded. This is the first time that in a multi-hop hybrid FSO / RF system, receive diversity is used. Bit Error Rate (BER) and Outage Probability (P_out) are investigated as system performance criteria. New exact and asymptotic expressions are derived for these criteria, and MATLAB simulations are provided to verify the obtained results. For the first time impact of number of receive antennas and number of relays on the performance of such a structure is investigated. Results indicate that proposed structure has low dependence on number of receive antennas; therefore, in the proposed structure use of single receive antenna has the same performance as the multi-antenna, while low complexity and power consumption. The proposed structure shows independent performance at moderate and strong atmospheric turbulence regimes. Hence, it does not require adaptive processing to match itself according to atmospheric turbulence condition, therefore is cost effective and particularly suitable for urban areas that encounter frequent changes in atmospheric turbulence.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 FSO/RF 릴레이링과 수신 다양성을 통합하여 FSO 통신에서의 대기 흐린 정도 문제를 해결한다.
• 이동 사용자 시나리오에서 높은 성능을 유지하면서 시스템 복잡도와 전력 소비를 줄인다.
• 릴레이 수와 수신 안테나 수가 시스템 신뢰성에 미치는 영향을 조사한다.
• 다중 홉 하이브리드 FSO/RF 시스템에서 비트 오류율(BER)과 아웃리지 확률에 대한 정확한 및 점점 가까운 표현식을 개발한다.
• 적응 처리가 필요 없이 중간 정도에서 강한 흐린 정도 조건에서도 시스템의 강건성을 평가한다.

제안 방법

• 각 릴레이가 신호를 디모듈레이션하고 전달하는 다중 홉 릴레이 보조 하이브리드 FSO/RF 아키텍처를 설계한다.
• 각 릴레이에서 다수의 안테나를 사용하여 수신 다양성을 도입함으로써 링크 신뢰성을 향상시킨다.
• 혼합 FSO/RF fading 조건 하에서 비트 오류율(BER)과 아웃리지 확률(P_out)에 대한 새로운 정확한 및 점점 가까운 표현식을 유도한다.
• FSO 링크의 대기 흐린 정도에 대한 통계적 채널 모델과 RF 링크의 레이일리 흐린 정도 모델을 사용한다.
• 다양한 흐린 정도와 릴레이 구성 조건에서 MATLAB 시뮬레이션을 통해 분석 결과의 타당성을 검증한다.
• 릴레이 수와 수신 안테나 수를 다양한 수준으로 변화시켜 시스템의 확장성과 강건성 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 홉 하이브리드 FSO/RF 시스템에서 수신 다양성을 갖춘 경우 릴레이 수가 BER과 아웃리지 확률에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 이 하이브리드 아키텍처에서 수신 안테나 수를 늘일 경우 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 중간 정도에서 강한 대기 흐린 정도 조건에서 시스템 성능은 어떻게 되는가?
• RQ4 변동하는 대기 조건에 적응 처리가 없이도 시스템은 일관된 성능을 유지하는가?
• RQ5 낮은 복잡도와 낮은 전력 소비를 유지하면서도 높은 신뢰성을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 수신 안테나 수가 증가함에 따라 성능 저하가 최소화되어 단일 안테나 수신기에서도 다중 안테나 시스템과 거의 동일한 성능을 달성함을 시사한다.
• 중간 정도에서 강한 대기 흐린 정도 조건에서도 아웃리지 확률과 BER이 안정적으로 유지되어 시스템이 흐린 정도 변화로부터 독립적임을 입증한다.
• 변동하는 대기 조건에 대응하기 위해 적응 처리가 필요 없어 복잡도와 비용이 감소한다.
• MATLAB 시뮬레이션을 통해 유도된 BER 및 아웃리지 확률의 정확한 및 점점 가까운 표현식의 정확성이 확인된다.
• 낮은 전력 소비와 강건성 덕분에 이 아키텍처는 도시 환경에 특히 적합하다.
• 성능이 수신 안테나 수에 크게 의존하지 않아 단일 안테나 배치가 가능하고 비용 효율적이다.